초록 ▼

본 연구에서는 광전소자, TFT LCD, 자성 메모리, 태양전지 등 여러 분야에서 응용성을 가진 ZnO 산화물 반도체의 광소자 응용을 위한 기반 기술인 3원계 MgxZn1-xO를 이용한 밴드갭 엔지니어링 기술을 연구하기 위해, 2차원 나노박막 구조와 1차원 나노막대 구조의 제작과 평가에 대한 연구를 수행한다.
본 기술은 발광소자 분야의 원천기술을 확보하기 위한 핵심기술로, ZnO의 응용분야를 확대하기 위해 필수적인 요소인 조성의 변화를 이용하여 밴드갭을 변화시키는 기술을 2차원의 박막 성장에서 MgZnO/ZnO 양자우물 구

본 연구에서는 광전소자, TFT LCD, 자성 메모리, 태양전지 등 여러 분야에서 응용성을 가진 ZnO 산화물 반도체의 광소자 응용을 위한 기반 기술인 3원계 MgxZn1-xO를 이용한 밴드갭 엔지니어링 기술을 연구하기 위해, 2차원 나노박막 구조와 1차원 나노막대 구조의 제작과 평가에 대한 연구를 수행한다.
본 기술은 발광소자 분야의 원천기술을 확보하기 위한 핵심기술로, ZnO의 응용분야를 확대하기 위해 필수적인 요소인 조성의 변화를 이용하여 밴드갭을 변화시키는 기술을 2차원의 박막 성장에서 MgZnO/ZnO 양자우물 구조를 성장하는 방식으로 구현하고, 또한 1차원 나노막대 구조에서 수직형/수평형의 이종접합 구조를 제작하고자 한다.
저차원 나노구조의 성장을 위해서 2차원 나노박막의 경우 MOCVD와 스퍼터링 방법으로 사파이어 기판과 Si 기판위에 3원계 $MG_{x}ZN_{1-x}O$ 박막을 성장하고, 1차원 나노막대의 경우 MOCVD와 열증발법으로 2인치 이상의 대면적에 나노막대를 제작한다. 1차원 나노막대의 제작에는 본 연구실에서 확보한 MOCVD와 스퍼터링방식으로 성장된 ZnO seed 결정을 이용한 나노막대의 제작기술을 활용한다. ZnOseed 결정의 사용은 기존의 사파이어 기판과 Si 기판에 비해 나노막대가 제작되는 면적을 확대시키고, seed 결정의 결정립계의 크기 및 결정학적 품질을 제어하여 나노막대의 크기 및 형태를 제어할 수 있다.
본 과제를 통해 “저차원 MgZnO 나노구조물에서 밴드갭 엔지니어링 기술 확보”를 위해 연차별로 다음과 같은 내용의 연구를 수행할 계획이다.
1차년도 : MgZnO 나노박막 및 나노막대 제작기술의 확보
ZnO 박막의 성장에 대한 연구는 활발히 진행이 되어 현재 MBE, MOCVD, PLD로 성장된 ZnO 박막은 고품질의 특성이 보고되고 있다. 그러나 3원계 합금의 제작의 어려움으로 기존의 화합물 반도체와 같은 저차원 양자우물 구조를 생성하기 위한 이종접합 구조의 구현에 어려움을 겪고 있다. 3원계 박막의 제작을 위해 첨가되는 주요 성분은 Mg과 Cd이 이용되고 있는데, MgO와 CdO 모두 면심입방
구조에 해당하는 결정구조를 보여주고 있어, 육방조밀 구조를 보여주는 ZnO와 혼합할 경우 고용도에 한계를 보여주고 있다.
현재 CVD 방식에 의한 성장에서 일반적으로 첨가되는 불순물의 고용도는 ZnO에 Mg이 약 10% 정도의 첨가를 보여주고 있다. MBE와 PLD와 같은 PVD 방식으로는 좀더 많은 양의 Mg이 첨가된 $MG_{x}ZN_{1-x}O$ 3원계 박막의 성장이 가능하다. 그러나 양자우물 구조를 성장하기 위해서는 계면의 거칠기, 정확한 두께, 원하는 조성 등이 정확히 조절될 수 있는 성장 방법이 요구되고 있으며, MOCVD가 이에 가장 적합한 성장장비이다. 또한 현재 사용되는 GaN 계열의 LED와 하이브리드 접합을 구현하기 위해서는 ZnO도 GaN와 같이 MOCVD로 성장이 가능할 경우 추후 기대되는 발광소자 분야의 신기술인 ZnO와 GaN의 하이브리드 구조의 제작에 큰 파급효과를 가져올 수 있다. 다른 결정구조를 가진 두 재료의 혼합을 위해서는 열역학적으로 불안정한 성장조건에서 성장이 이루어져야 하는데, 최근 MOCVD로도 온도조절 및 반응기 압력의 조절을 통해 10% 이상의 $MG_{x}ZN_{1-x}O$의 성장이 가능하다는 것이 발표되었고, 앞으로 더욱 개선될 것으로 기대된다.
본 연구의 1차년도에서는 이와 같은 MgZnO 제작의 원천기술 문제인 Mg의고용도 증가를 위해 주로 MOCVD 방법으로 3원계 박막을 성장하고, 스퍼터링 장비를 보조수단으로 활용하여 MgZnO를 제작하고자 한다. 특히 본 연구실은 TEM과 HRXRD와 같은 구조분석에 필수적인 장비를 보유하고 있으며, TEM을 이용하여 원자규모인 2Å정도의 분해능을 가지고 분석을 수행할 수 있는 기술을 보유하고 있어, 고용도 증가를 위한 원천적인 문제점을 구조적으로 해석할 수 있는 능력을 보유하고 있다. 또한 광학적 특성을 분석하기 위해 10K까지의 온도에서 광발광을 측정하는 PL 장비를 보유하고 있어 광특성의 향상을 도모하면서 구조적인 특성을 개선하는 연구에 필요한 제반 시설을 갖추고 있다. 그러므로 해당과제의 연구를 수행하는데 가장 적합한 인프라를 구축하고 있다.
다음으로 현재 제작이 가능한 ZnO 나노막대 기술에 대해서도 Mg을 첨가하여 MgZnO 나노막대를 제작하는 연구를 수행하고자 한다. 나노막대의 제작 방법으로는 MOCVD와 열증발법을 활용하고자 한다. 현재 본 연구실에서 ZnO 나노막대를 제작하기 위해 사용하고 있는 기술은 ZnO seed 결정을 이용하고 있으며, ZnO seed 결정은 Si 기판위에 스퍼터링과 MOCVD 방법으로 성장하고 있다. 특히 아르곤과 산소가스 비율의 조절을 이용하여 원하는 결정립계의 크기를 가진 seed 결정을 성장할 수 있는데, 이와 같이 다른 결정학적 품질을 가진 seed 결정위에 제작된 나노막대는 크기, 모양 등에서 다른 결과를 보여주고 있다. 그러므로 $MG_{x}ZN_{1-x}O$ 3원계 1차원 나노막대의 제작에도 ZnO seed 결정을 이용하여 제작하고자 하며, 3원계 나노막대의 제작을 위해 3원계 MgZnO seed 결정도 활용하고자 한다.
2차년도 : MgZnO 다층 나노박막 및 나노막대 제작기술의 확보
최근 MgZnO/ZnO 다층박막의 성장에 대한 연구결과가 일부 보고되고 있다.
현재 가장 개선된 결과를 보여주는 성장 방법은 PLD를 이용한 방법인데, 이 방법은 양산용으로 나아가기에는 여러 문제점들을 지니고 있으며, 계면의 정확한 제어, 조성 조절등의 세밀한 제어를 위해서는 MOCVD로 MgZnO/ZnO 다층구조가 제작되지 않으면 기존의 GaN를 이용한 UV LED 시장에서 대체재료로 사용되기는 어렵다. 또한 GaN 계열의 LED와 하이브리드 접합을 구현하기 위해서는 ZnO도 GaN와 같이 MOCVD로 성장이 가능해야 하기 때문에, 선진국의 연구소와 장비회사에서는 MOCVD로 ZnO 계열의 박막을 제작하는 연구를 진행중에 있다.
본 과제의 2차년도에서는 1차년도에 확보된 MgZnO 나노박막 및 나노막대 구조물의 성장기술을 활용하여 개선된 양자효율이 기대되는 다층양자우물 구조를 제작하고자 한다. 다층양자우물 구조의 구현을 위해서 MOCVD로 나노박막 및 나노막대 구조를 성장하고자 한다. 나노박막의 경우 MgZnO/ZnO/MgZnO 양자우물 구조를 성장할 계획이며, 상온에서 50meV 미만의 반측폭을 가진 발광특성을 목표로 하고 있다.
나노막대의 경우 나노박막과 같이 성장방향으로 제한을 가져올 수 있는 다층 양자우물 구조를 성장하고자 한다. 이 연구가 성공할 경우 전하들이 나노막대 구조로부터 측면으로 제한을 받으면서 동시에 수직방향으로 제한을 받는 거의 0차원에 가까운 전하제한 효과가 기대된다. 또한 나노막대에서 성장방향과 수직인 측면 방향으로 전하의 제한이 가능하도록 MgZnO를 ZnO 나노막대에 수평방향으로 성장하는 기술을 연구하고자 한다. 수평방향으로의 MgZnO/ZnO 나노막대 구조를 제작하기 위해서는 ZnO 나노막대 구조 밀도의 정확한 제어가 요구된다. 본 연구실에서는 ZnO seed 결정을 이용하여 나노막대의 밀도를 제어할 수 있기 때문에 본 연구도 ZnO 나노막대 위에 측면으로 성장하는 조건만 최적화 시킨다면 충분히 달성할 수 있는 연구 결과이다.

Abstract ▼

In this study, we have performed the fabrication and evaluation on 2 dimensional nanofilm and 1 dimensional nanorod structures in order to obtain the bandgap engineering technology using ternary MgZnO. It is basic technology for the optoelectronic devices using ZnO oxide semiconductors, which have t

In this study, we have performed the fabrication and evaluation on 2 dimensional nanofilm and 1 dimensional nanorod structures in order to obtain the bandgap engineering technology using ternary MgZnO. It is basic technology for the optoelectronic devices using ZnO oxide semiconductors, which have the applications in the optical devices, TFT LCD, magnetic memory, solar cell, etc.
To grow the low dimensional nanostructures, the ternay MgZNO thin films were grown by MOCVD or sputtering on sapphire and Si substrates, and 1 dimensional nanorods were synthized by MOCVD and thermal evaporation on 2 in size substrate. For the growth of the 1 dimensional nanorods, we introduced ZnO seed crystals grown by MOCVD and sputtering. These ZnO seed crystals were required for the large quantity and controllibility in size and morphology of the nanorods.
Unlike GaN based devices, ZnO LEDs and LDs are not commercially available. From the structural viewpoint, the reasons for this are i) the deterioration of the crystalline quality due to the many grain boundaries resulting from a formation of the polycrystalline film with the preferred orientation along the c-axis, ii)the difficulty of obtaining p-type ZnO growth due to the formation of native defects showing n-type ZnO growth, and iii) the difficulty of engineering the bandgap due to the immiscibility of the different crystal structures between ZnO (wurtzite) and MgO (rocksalt).
The solid solubility of Mg in ZnO is limited to a maximum of 2 % due to their different crystal structures with ZnO, retaining the wurtzite structure. However, due to the similar ionic radii of the Zn and Mg atoms (Mg++~1.36 ？ and Zn++~1.25 ？), the addition of Mg atoms does not result in a significant misfit strain in the MgZnO/ZnO heterostructures, unlike in the case of InGaN/GaN heterostructures. MgZnO films with a Mg content of ~ 36 at. % Mg having a wurtzite structure were recently reported. Above that content, the phase changed to a cubic structure.
1st year: guarantee of the fabrication technology of MgZnO nanofilms and nanorods
○ Ternary MgZnO growth using MOCVD and sputteing for high incorporatin of Mg elements
○ Structural analysis of MgZnO using transmission electron microscopy and high-resolutin x-ray diffraction
○ For optical properties, low temperature PL characterization was performed
○ Control of seed crystals using different argon and oxygen ratios
2nd year: guarantee of the fabrication technology of MgZnO multilayer nanofilms and nanorods
○ Growth of MgZnO/ZnO multilayer thin films and nanorods
○ Precisely controlled carrier confinement along the both vertical and horizontal directions
○ Control of nanorod density using the distribution of ZnO seed crystals

목차 Contents

• 요약문 ... 1
• SUMMARY ... 11
• 목차 ... 16
• Contents ... 18
• 표목차 ... 20
• 그림목차 ... 21
• 제 1 장 서 론 ... 25
• 제 1 절 ZnO의 물리적 및 광.전기적 특성 ... 25
• 1. ZnO의 응용분야 ... 25
• 2. 물리적, 광.전기적 특성 ... 27
• 가. 결정학적 특성 ... 27
• 나. 전기적 특성 ... 28
• 다. 광학적 특성 ... 31
• 제 2 절 저차원 나노구조 ... 33
• 1. ZnO 나노구조의 중요성 ... 33
• 2. 나노 크기의 ZnO ... 34
• 3. 나노막대의 성장 기구 ... 36
• 가. VLS (Vapor Liquid Solid) process ... 36
• 나. VS (Vapor Solid) process ... 37
• 제 3 절 실험방법 ... 38
• 제 2 장 본 론 ... 43
• 제 1 절 저차원 ZnO 나노구조의 수직 배향성 향상에 대한 연구 ... 43
• 1. 서론 ... 43
• 2. 실험방법 ... 43
• 3. 실험결과 및 고찰 ... 44
• 가. 1차원 ZnO 나노구조의 형태변화 ... 44
• 나. 1차원 ZnO 나노막대의 수직 배향성 향상 ... 47
• 제 2 절 저차원 MgxZn1-xO 나노구조의 합성 방법 및 광학적, 결정학적 특성에 대한 연구 ... 66
• 1. 서론 ... 66
• 2. 실험방법 ... 66
• 3. 실험결과 및 고찰 ... 67
• 제 3 장 결 론 ... 75
• 제 4 장 참고문헌 ... 76